梯度压力袜在跑步运动中的压力分布

鲁 虹，宋佳怡，李柽安

(1.东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051；2.东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051)

梯度压力袜作为一种紧身运动服装，是跑步运动中常见的辅助装备。其采用由下至上递减的梯度压力分布给小腿肌肉提供支撑，同时促进下肢血液循环，从而达到提高肢体稳定性，延缓肌肉疲劳的效果。目前相关研究一方面聚焦于原材料、组织结构、工艺参数等因素与压力袜压力分布的关系，另一方面多为研究肢体形态和人体运动对压力分布的影响。在研究运动过程中，一般将连续动作分解成多个固定姿势，以固定姿势下受试者特定部位的服装压表征运动过程中的动态压力，但固定姿势下与连续运动过程中产生的服装压具有一定的差异性，不足以代表运动中小腿肌肉所受压力。压力袜早期作为医学治疗的辅助用具，如今作为日常较普及的紧身运动装备，对于运动员的技能恢复起到积极作用，但梯度压力袜在运动学实际应用方面的研究仍存在欠缺，且静态压力不足以代表运动应用中小腿肌肉所受服装压力。

本文自行搭建动态压力测试系统，测量人体穿着不同梯度压力袜时，小腿各部位的动态压力，对比动、静态压力分布，分析动静态压力差异较大的部位并探讨其原因，为梯度压力分布设计提供参考。

1 实验设计

1.1 实验对象

中国人正常的身体质量指数(BMI)为18.5～23.9，本文研究选择BMI指数为(21.5±2.5)、体重为(50±5) kg、年龄为(22±2)岁、小腿围为(35±2) cm、鞋码(36～39)码、有跑步习惯的女大学生作为受试者。所有受试者均为身体健康，无关节、骨骼或韧带受伤病史，且要求在实验前1周内熟悉实验流程和实验方法，在实验开始前24 h避免进行剧烈运动。初步选择的9名受试者基础情况如表1所示。为后续阐述方便，受试者编号依次为No.1～No.9。

表1 受试者基本情况一览表Tab.1 Basic information of subjects

1.2 压力袜样本

实验样本分为4组长度及膝的中筒梯度压力袜。参照标准FZ/T 73031—2009《压力袜》和YY/T 0853—2011《医用静脉曲张压缩袜》，结合工厂实际生产情况，进行4组梯度压力袜打样与梯度差设定，取标准中值压力差的20%作为低压压力袜对照组，设计压力值如表2所示。4组试样分别是压力梯度差为20%左右的低压压力袜1#(整体压力较小的压力袜，简称低压压力袜)、压力梯度差为10%的高压压力袜2#、压力梯度差为20%的高压压力袜3#和压力梯度差为30%的高压压力袜4#(整体压力较高的压力袜，简称高压压力袜)。、′、分别指脚踝、小腿跟腱转折处、小腿周长最大处，压力测量围度示意图图1所示。各部位具体压力差百分比如表2中(=′压力压力)、′(′=压力压力)所示。

图1 压力测量围度示意图Fig.1 Schematic diagram of pressure measurement circumference

表2 实验样本各部位压力值设计及百分比Tab.2 The expected pressure value and percentage of each part of the sample

实验用压力袜纱线主要成分为氨纶/锦纶/涤纶；袜口和袜头采用双层平针组织(实验用压力袜袜头偏大，可容纳不同大小的脚)；袜身部分采用平针衬垫组织，提供压力的同时保持其透气性；脚后跟采用纬平针组织。具体细部尺寸如表3所示。

表3 实验压力袜细部尺寸Tab.3 Detail dimensions of pressure hosiery cm

1.3 测量点确定

参考压力袜相关标准，考虑到动静态压力的匹配性、测量便利性，选择脚踝最细处、小腿跟腱转折处、小腿周长最大处3个横截面的前、后、内、外，共计12个点作为压力测量点，标号1～12，压力测量点示意图如图2所示。

图2 压力测量点示意图Fig.2 Schematic diagram of pressure measuring point

1.4 实验方法

动静态压力测量实验流程如图3所示。

图3 动静态压力测量实验流程Fig.3 Dynamic and static pressure measurement experiment flow

选用AMI3037-10气囊式接触压力测量仪(日本American Megatrends Inc公司)，测量站立状态下受试者穿着4组梯度压力袜时小腿各部位的静态压力。气囊直径为20 mm，测量精度达到(±0.2～±0.45) kPa。

静态压力测量在站立状态下进行，要求受试者躯干挺直，两肩平齐，两臂自然下垂，两脚跟并拢，两脚尖张开60°，腿部自然放松，身体重心落于两腿正中，维持站姿动作，待数据稳定后，记录数值，同一围度的压力测量需重复3次取平均值。

根据图4所示进行动态压力测量系统的硬件搭建与软件设计。

图4 动态压力测量系统设计方案Fig.4 Design scheme of dynamic pressure measurement system

硬件：采用直径为20 mm的柔性薄膜压力传感器，采集受试者在跑步运动中的动态服装压力。通过压力信号转换模块将压力信号传输至电脑端SSCOM串口软件，实现压力信号的读取。压力转换模块拥有4个传感器接入端口，可同时测量4个位置的压力值。模块内置电路属于TTL(Transistor-Transistor Logic)集成电路，输出信号无法直接被USB端口识别，通过TTL转USB模块后，在电脑端的串口软件中可被识别和读取，并将其转换成模拟AD(Analog/Digital signals)值。图5为传感器与信号转换模块的接线图。

图5 传感器与信号转换模块接线图Fig.5 Wiring diagram of sensor and signal conversion module

压力信号读取后，采用标准砝码与压力传感器提供标准压力值，对传感器进行标定。随机选取1名受试者，对该系统进行多次重复测试，采用独立样本T检验，分析数据是否有显著性差异，用以验证动态压力测量系统的稳定性。

为验证动态压力测量系统的准确性，采用AMI3037-10气囊式接触压力测量仪测量受试者穿着相同压力袜时相同部位的静态压力。对2组压力测量数据进行相关性分析，得到2组仪器所测得的压力值在0.01显著性水平下高度相关(相关系数为0.961)，因此动态压力测量系统测量数据的准确性良好。

跑步是一种周期性活动，穿着压力袜运动时，下肢各部位所受压力随肌肉反复收缩变形产生周期性波动。动态压力测量系统只有3个通道，因此1～12需要按4条纵向测试线(前、后、内侧和外侧)分4次进行。

连接好动态压力测量系统，在小腿前的压力测量点上用医用胶带固定好柔性压力传感器，开始匀速跑步，待受试者稳定后记录1 min的压力数值，实验过程如图6所示，完成后依次测量小腿后、小腿内侧和小腿外侧的动态压力。

图6 动态压力测量过程图Fig.6 Diagram of dynamic pressure measurement process

2 结果与分析

根据受试者测量处围度标准差及方差可知，数据离散程度较小，证明所筛选出的受试者测量部位差异较小。在此基础上，根据肌肉分布与围度设定进行点定位，以最大程度避免测量偏差，减少实验误差。但不同人体腿部骨骼、肌肉、脂肪以及皮下组织的变化必然会导致压力袜压力产生差异分布，分析受试者No.1～No.9穿着医疗袜时右腿部在脚踝处()、小腿跟腱转变折(′)、小腿周长最大处()3个围度上的服装压力分布，No.2～No.7、No.9均表现出由下至上递减的压力梯度，No.9穿着1#、3#、4#压力袜在站立状态下不能表现明显的压力梯度，因此最终选择符合设计压力分布的No.2～No.7号受试者进行后续分析。

2.1 静态压力分析

在站立状态下，压力袜在脚踝、小腿跟腱转折处、周长最大处的平均压力均呈现由下至上递减的梯度压力，1#～4#纵向围度的压力百分比分别为1#：100%、82.8%、69.3%；2#：100%、94.6%、85.2%；3#：100%、88.7%、76.9%；4#：100%、72.2%、61%。不同压力分布的压力袜整体分布相似，各部位压力百分比与设计值有一定差距，但整体梯度变化一致。

图7示出纵向压力分布，可以看出压力袜在前侧和外侧均能呈现较为明显的压力梯度；小腿前侧胫前肌突出，导致前侧压力均大于其他侧面。脚踝凸点使得小腿内侧压力最小值出现在脚踝上方。

图7 纵向压力分布Fig.7 Longitudinal pressure distribution

横向压力分布如图8所示。从同一围度上来看，脚踝部位(B)的压力分布差异较大。1#～4#压力袜在脚踝处的压力差值分别为2.098、1.900、2.064、2.038 kPa，且均为脚踝后面压力最大、内侧压力最小，这是由于脚踝后方曲率较大以及脚踝上方的凹陷造成的。脚踝后的跟腱导致皮肤表面曲率半径较小，因此所受压力大于前、内、外处的压力。小腿跟腱转折处(′)和小腿周长最大处()，压力分布均为前侧的压力最大，依次为前、内、后、外。

图8 横向压力分布Fig.8 Transverse pressure distribution

2.2 动态压力分析

对受试者1 min匀速跑步运动过程中测量的压力数据进行筛选，去除明显错误值和缺失值，截取第20～40 s的压力数值，按照图2所示前、后、内、外4条纵向压力测试线(即1-5-9，2-6-10，3-7-11，4-8-12)，绘制压力-时间图(见图9)，观察纵向压力测量点的压力波动情况。

如图9所示，从整体波动情况来看，跑步运动过程中梯度压力袜施加给各压力测量点的动态压力随时间呈周期性波动，这种周期性波动是小腿肌肉的周期性活动导致的。从动态压力波动的大小和范围来看，小腿前侧(1、5)和脚踝后侧(2)的动态压力均较大且波动范围大，甚至超出了FZ/T 73031—2009《压力袜》所规定的压力范围，在梯度压力袜的压力分布设计时可适当考虑减小这2处的压力。从纵向压力梯度来看，小腿后侧(2、6、10)的压力梯度十分明显，小腿前(1、5、9)、内侧(3、7、11)和外侧(4、8、12)均不符合压力梯度。从小腿主要活动肌肉来看，胫前肌位于小腿前侧，受到了由下至上递减的梯度压力且压力较大；内外侧腓肠肌(11、12)所受的压力相对稳定且较小。

图9 动态压力波动情况Fig.9 Dynamic pressure fluctuation

将1 min匀速跑步运动过程中测量的压力数据去除明显的错误值后，分别计算穿着不同压力袜时的压力平均值。发现1#～4#压力袜在运动过程中仍能保持由下至上的递减的压力梯度。其压力梯度分别为1#：100%、78.8%、70.3%；2#：100%、89.2%、86.7%；3#：100%、76.0%、73.3%；4#：100%、70.0%、66.5%，从纵向围度来看，各围度的压力占比均在YY/T 0853—2011《医用静脉曲张压缩袜》所规定的压力占比范围内。

平均动态压力纵向分布如图10所示，小腿内侧，压力最小的位置仍为脚踝最细处(3)，但运动过程中内侧腓肠肌的运动导致11处压力增大，小腿内侧呈现从下至上递增的压力分布。横向压力分布趋势与静态保持一致。

图10 平均动态压力纵向分布Fig.10 Longitudinal distribution of mean dynamic pressure

对穿着不同压力袜跑步运动中小腿胫前肌、内侧腓肠肌和外侧腓肠肌所受的压力是否具有显著性差异进行分析。将各压力测量点的平均动态压力数值进行正态性检验，并使用单因素方差分析检验在跑步运动中各梯度压力袜在各压力点产生的压力是否有显著性差异，有显著性差异的压力测量点如表4所示。

表4 不同梯度压力袜对各压力测量点动态压力的影响Tab.4 The influence of different gradient pressure socks on the dynamic pressure at each pressure measuring point

在跑步运动过程中，梯度压力袜与各压力测量点之间会发生相对位移，且小腿肌肉活动也会改变各部位所受压力，因此不同的梯度压力袜在各压力测量点并不能完全表现出不同的压力值，但在小腿主要活动肌肉位置均表现出了显著性差异：1#与2#、3#与4#、2#与4#梯度压力袜在胫前肌(5～9)、内侧腓肠肌处(11)、外侧腓肠肌(12)表现出了显著差异。穿着1#～4#梯度压力袜时不同肌肉受到的动态平均压力如表5所示。

表5 不同肌肉所受动态平均压力Tab.5 Dynamic average pressure on different muscles kPa

2.3 动静态压力差异性分析

在站立与跑步状态下测得的受试者穿着1#～4#梯度压力袜各部位静态压力和平均动态压力对比如图11所示。梯度压力袜在静态和动态状态下的整体压力分布相似，绝大部分测量点的动态平均压力大于静态压力，其中低压梯度压力袜中绝大部分测量点的动静态压力差大于高压梯度压力袜，而在高压梯度压力袜中，压力梯度越小，动静态压力差越小。在压力测量点1～9中，低压梯度压力袜及梯度差较小的高压梯度压力袜小腿前侧的压力测量点1、5、9的动静态压力差较为明显。

图11 各部位动静态压力分布对比Fig.11 Comparison of dynamic and static pressure distribution in each position

对穿着不同压力袜时各压力测量点的动静态压力值进行配对样本T检验，检验结果如表6所示。其中P1、P5、P9、P11这4个压力测量点的动静态压力具有显著性差异，结合图10可知，跑步时肌肉活动使得小腿前侧和小腿周长最大处内侧的压力明显增大，即胫前肌和内侧腓肠肌所受动态压力显著大于静态压力。

表6 各压力测量点的动静态压力配对样本T检验表Tab.6 T-test table of dynamic and static pressure paired samples at each pressure measuring point

考虑到1、5、9、11动静态压力具有显著性差异，而静态压力多被采用为压力袜的参考标准，因此分别以各压力测量点的静态压力、各部位对应围度为自变量，各压力测量点的动态压力为因变量进行回归分析，1、5、9、11的回归模型如表7所示。

表7 各压力测量点的回归分析Tab.7 Regression analysis of each pressure measuring point

除1点的动态压力受脚踝影响太大，拟合效果较差之外；其余点位方差膨胀因子(VIF)均在1左右，不存在多重共线性。5、9、11处的动态压力与其静态压力、各部位对应小腿度的拟合方程分别为：

=0794+0165-3870

=0957+0124-3846

=1110+0034-1060

从上述拟合方程可知：各点动态压力与静态压力、对应的小腿围度成正相关。其中绝对误差可反映拟合方程的预测效果，5、9、11这3点处动态压力计算值与测量值绝对误差在±0.5 kPa范围内的数据在73%左右，且模型调整后的均大于0.7，表明拟合效果较好。

3 结 论

本文测量了受试者穿着不同压力袜在跑步时和站立状态下，脚踝最细处、小腿跟腱转折处、小腿周长最大处3个横截面的前、后、内、外侧共12个位置的动态压力与静态压力。对比发现动态压力显著大于静态压力，其中小腿前侧和脚踝后的压力波动较大且超出相关标准所规定的压力范围。通过线性回归得到了胫前肌中上端、内侧腓肠肌处的动态压力、静态压力及各部位对应小腿度之间的相关关系，为压力袜的压力分布设计提供一定的参考意义。